Java線程同步和并發(fā)第1部分

通過(guò)優(yōu)銳課核心java學(xué)習(xí)筆記中，我們可以看到，碼了很多專(zhuān)業(yè)的相關(guān)知識(shí)， 分享給大家參考學(xué)習(xí)。我們將分兩部分介紹Java中的線程同步，以更好地理解Java的內(nèi)存模型。

介紹

Java線程同步和并發(fā)是復(fù)雜應(yīng)用程序各個(gè)設(shè)計(jì)階段中討論最多的主題。 線程，同步技術(shù)有很多方面，它們可以在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)高并發(fā)性。 多年來(lái)，CPU（多核處理器，寄存器，高速緩存存儲(chǔ)器和主內(nèi)存（RAM））的發(fā)展已導(dǎo)致通常是開(kāi)發(fā)人員往往忽略的某些領(lǐng)域-例如線程上下文，上下文切換，變量可見(jiàn)性，JVM內(nèi)存 型號(hào)與CPU內(nèi)存型號(hào)。

在本系列中，我們將討論Java內(nèi)存模型的各個(gè)方面，包括它如何影響線程上下文，Java中實(shí)現(xiàn)并發(fā)的同步技術(shù)，競(jìng)爭(zhēng)條件等。在本文中，我們將重點(diǎn)討論線程，同步的概念 技術(shù)以及Java和我們的CPU的內(nèi)存模型。

概括

在深入研究線程和同步這一主題之前，讓我們快速回顧一下一些與線程相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和概念。

1.Lock —鎖是線程同步機(jī)制。
2.

2. Java中的每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的固有鎖。線程使用對(duì)象的監(jiān)視器進(jìn)行鎖定或解鎖。鎖可以視為邏輯上是內(nèi)存中對(duì)象標(biāo)頭的一部分的數(shù)據(jù)。有關(guān)監(jiān)視器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能，請(qǐng)參見(jiàn)ReentrantLock。

3.Java中的每個(gè)對(duì)象都有同步方法，wait（）和notify（）[也notifyAll（）]。任何調(diào)用這些方法的線程都使用其監(jiān)視器獲得該對(duì)象的鎖。必須使用synced關(guān)鍵字來(lái)調(diào)用此方法，否則將拋出IllegealMonitorStateException。

4.信號(hào)是一種通知線程應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行的方法。這是使用對(duì)象方法wait（），notify（）和notifyAll（）實(shí)現(xiàn)的。調(diào)用方法notify（）或notifyAll（）可以使線程單一以喚醒后臺(tái)線程（通過(guò)調(diào)用方法wait（））。

5.丟失信號(hào)-方法notify（）和notifyAll（）不保存方法調(diào)用，也不知道其他線程是否調(diào)用過(guò)wait（）。如果一個(gè)線程在被通知的線程調(diào)用了wait（）之前調(diào)用了notify（），則該信號(hào)將被等待的線程錯(cuò)過(guò)。這可能導(dǎo)致線程無(wú)休止地等待，因?yàn)樗e(cuò)過(guò)了信號(hào)

6.Runnable是一個(gè)功能性接口，可以由應(yīng)用程序中的任何類(lèi)實(shí)現(xiàn)，以便線程可以執(zhí)行它。

7.volatile是分配給變量以使類(lèi)成為線程安全的另一個(gè)關(guān)鍵字。要了解此關(guān)鍵字的用法，必須了解CPU體系結(jié)構(gòu)和JVM內(nèi)存模型。我們稍后再討論。

8.ThreadLocal允許創(chuàng)建只能由所有者線程讀取/寫(xiě)入的變量。這用于使代碼安全。

9.Thread Pool是線程的集合，線程將在其中執(zhí)行任務(wù)。線程的創(chuàng)建和維護(hù)非常受服務(wù)控制。在Java中，線程池由ExecutorService的實(shí)例表示。

10.ThreadGroup是該類(lèi)提供一種用于將多個(gè)線程收集到單個(gè)對(duì)象中的機(jī)制，并允許我們一次操縱/控制這些線程。

11.Daemon線程-這些線程在后臺(tái)運(yùn)行。守護(hù)程序線程的一個(gè)很好的例子是Java Garbage Collector。 JVM在退出以完成其執(zhí)行之前不等待守護(hù)程序線程（而JVM在等待非守護(hù)程序線程或用戶(hù)線程完成其執(zhí)行之前）。

12.synchronized-關(guān)鍵字，用于在多個(gè)線程必須在并發(fā)模式下執(zhí)行同一功能時(shí)控制單個(gè)線程執(zhí)行代碼。此關(guān)鍵字可用于方法和代碼塊以實(shí)現(xiàn)線程安全。請(qǐng)注意，此關(guān)鍵字沒(méi)有超時(shí)，因此有可能發(fā)生死鎖情況。

13.死鎖-一種情況，一個(gè)或多個(gè)線程正在等待對(duì)象鎖被另一線程釋放。導(dǎo)致死鎖的可能情況是線程正在相互等待釋放鎖的地方！

14.虛假喚醒-由于莫名其妙的原因，即使未調(diào)用notify（）和notifyAll（），線程也有可能喚醒。這是一個(gè)虛假的喚醒。為了解決此問(wèn)題，喚醒的線程圍繞自旋鎖中的條件自旋。

Java

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public synchronized doWait() {
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 ?while(!wasSignalled) { // spin-lock check to avoid spurious wake up calls
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 ? ?wait();
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  }
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 ?// do something
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}
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public synchronized doNotify() {
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 ?wasSignalled = true;
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 ?notify();
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}

線程匱乏

當(dāng)沒(méi)有為某個(gè)線程分配CPU時(shí)間（因?yàn)槠渌€程占用了所有線程）時(shí)，就會(huì)發(fā)生線程饑餓。 （例如，在某個(gè)對(duì)象上等待的線程（調(diào)用了wait（））保持無(wú)限期等待，因?yàn)槠渌€程不斷被喚醒（通過(guò)調(diào)用notify（））。

為了減輕這種情況，我們可以使用Thread.setPriority（int priority）方法為線程設(shè)置優(yōu)先級(jí)。 優(yōu)先級(jí)參數(shù)必須在Thread.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITY之間的設(shè)置范圍內(nèi)。 查看官方線程文檔以獲取有關(guān)線程優(yōu)先級(jí)的更多信息。

鎖定界面與同步關(guān)鍵字

1.無(wú)法在同步塊或方法中具有超時(shí)。 這可能會(huì)在應(yīng)用程序似乎掛起，死鎖等情況下結(jié)束。同步塊必須僅包含在單個(gè)方法中。

2. Lock接口的實(shí)例可以使用單獨(dú)的方法調(diào)用lock（）和unlock（）。 此外，鎖也可以具有超時(shí)。 與synced關(guān)鍵字相比，這是兩個(gè)很大的好處。

Java

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class CustomLock {
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 ?private boolean isLocked = false;
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 ?public synchronized void lock() 
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 ?          throws InterruptedException {
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 ? ?
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 ? ?isLocked = true;
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 ? ?while(isLocked) {
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 ? ? ?// calling thread releases the lock it holds on the monitor
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 ? ? ?// object. Multiple threads can call wait() as the monitor is released.
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 ? ? ?wait();
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 ?  }
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  }
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 ?public synchronized void unlock() {
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 ? ?isLocked = false;
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 ? ?notify();
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 ? ?// only after the lock is released in this block, the wait() block
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 ? ?// above can re-acquire the lock on this object's monitor.
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  }
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}

線程執(zhí)行

我們可以通過(guò)兩種方式在Java中執(zhí)行線程。 他們是：

1.擴(kuò)展Thread類(lèi)并調(diào)用start（）方法。 （這不是從Thread子類(lèi)化類(lèi)的首選方式，因?yàn)樗鼫p少了添加該類(lèi)更多功能的范圍。）

2.實(shí)現(xiàn)Runnable或Callable接口 這兩個(gè)接口都是功能性接口，這意味著它們都只定義了一個(gè)抽象方法。 （將來(lái)也可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)其他接口來(lái)擴(kuò)展作為類(lèi)的首選方法。）

可運(yùn)行的界面

這是用于通過(guò)線程執(zhí)行特定任務(wù)的基本接口。 此接口僅描述一種方法，稱(chēng)為帶有無(wú)效返回類(lèi)型的run（）。 如果必須在線程中執(zhí)行任何功能，但不期望返回類(lèi)型，請(qǐng)實(shí)現(xiàn)此接口。 基本上，在失敗的情況下，無(wú)法檢索線程的結(jié)果或任何異?；蝈e(cuò)誤。

通話界面

這是一個(gè)接口，除了獲得執(zhí)行結(jié)果之外，還用于通過(guò)線程執(zhí)行特定任務(wù)。 該接口遵循泛型。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)此接口的類(lèi)，它僅描述了一種稱(chēng)為call（）的方法，并描述了返回類(lèi)型。 如果必須在線程中執(zhí)行任何功能并且必須捕獲執(zhí)行結(jié)果，請(qǐng)實(shí)現(xiàn)此接口。
同步技術(shù)

如上所述，可以使用同步關(guān)鍵字或使用Lock實(shí)例來(lái)同步線程。 Lock接口的基本實(shí)現(xiàn)是ReentrantLock類(lèi)。 同樣，用于讀/寫(xiě)操作的Lock接口也有所不同。

當(dāng)線程試圖讀取或?qū)懭胭Y源時(shí)，這有助于應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)更高的并發(fā)性。 此實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為ReentrantReadWriteLock。 這兩個(gè)類(lèi)之間的主要區(qū)別如下所示：

Class ReentrantLock ReentrantReadWriteLock類(lèi)

只允許訪問(wèn)1個(gè)線程以進(jìn)行讀取或?qū)懭?，但不能同時(shí)訪問(wèn)兩者。 如果操作正在讀取資源，則一次允許訪問(wèn)多個(gè)/所有線程。

如果該操作是寫(xiě)操作，則一次只能訪問(wèn)一個(gè)線程。

鎖定讀寫(xiě)操作的資源，使操作互斥。 鎖定讀寫(xiě)操作的資源，使操作互斥。

由于資源被鎖定（甚至用于讀取操作），因此降低了性能。 在性能方面更好，因?yàn)樗鼮橐獔?zhí)行讀取操作的所有線程提供并發(fā)訪問(wèn)權(quán)限。

請(qǐng)參閱下面的ReentrantReadWriteLock示例，以了解如何在僅允許一個(gè)線程更新資源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的并發(fā)讀取。

注意：資源可以是應(yīng)用程序中各種線程嘗試同時(shí)訪問(wèn)的任何數(shù)據(jù)。

Java

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public class ConcurrentReadWriteResourceExample {
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    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
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    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();
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    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();
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    private void readResource() {
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        readLock.lock();
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        // read the resource from a file, cache, database or from memory
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 ? ? ? ?// this block can be accessed by 'N' threads concurrently for reading
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        readLock.unlock();
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    }
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    private void writeResource(String value) {
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        writeLock.lock();
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        // write or update value to either a file, cache, database or from memory
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 ? ? ? ?// this block can be accessed by at-most '1' thread at a time for writing
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        writeLock.unlock();
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    }
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}

創(chuàng)建上述類(lèi)的一個(gè)實(shí)例，并將其傳遞給多個(gè)線程； 將處理以下內(nèi)容：

??'N'個(gè)線程使用readLock或最多一個(gè)線程使用writeLock。
??讀或?qū)懚疾粫?huì)同時(shí)發(fā)生。

Java內(nèi)存模型和CPU

有關(guān)Java和CPU內(nèi)存模型的說(shuō)明將幫助我們更好地了解對(duì)象和變量在Java堆/線程堆棧中的存儲(chǔ)方式以及實(shí)際CPU內(nèi)存的存儲(chǔ)方式。 現(xiàn)代的CPU由寄存器組成，這些寄存器充當(dāng)處理器本身的直接存儲(chǔ)器，高速緩存存儲(chǔ)器-每個(gè)處理器都有一個(gè)高速緩存層來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最后是存在應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的RAM或主存儲(chǔ)器。

JVM與CPU內(nèi)存模型

在硬件或CPU上，線程堆棧和堆都位于主內(nèi)存中。 線程堆棧和堆的某些部分有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)在CPU緩存和內(nèi)部寄存器中。 以下是由于上述體系結(jié)構(gòu)而可能發(fā)生的問(wèn)題：

1，并非所有訪問(wèn)變量的線程都立即看到對(duì)共享變量的線程更新（寫(xiě)）的可見(jiàn)性。
2.讀取，檢查和更新共享變量的數(shù)據(jù)時(shí)的種族條件。

volatile關(guān)鍵字

volatile關(guān)鍵字是Java 5中引入的，在實(shí)現(xiàn)線程安全方面有重要的用途。 此關(guān)鍵字可用于基元和對(duì)象。 在變量上使用volatile關(guān)鍵字可確保在更新后直接從主存儲(chǔ)器讀取給定變量并將其寫(xiě)回主存儲(chǔ)器。

ThreadLocal類(lèi)別

線程同步的最后一個(gè)主題是Lock是Java類(lèi)ThreadLocal之后的主題。 此類(lèi)可創(chuàng)建只能由同一線程讀取/寫(xiě)入的變量。 這為我們提供了一種通過(guò)定義線程局部變量來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全的簡(jiǎn)單方法。 ThreadLocal在線程池或ExecutorService中有重要用途，因此每個(gè)線程都使用自己的某些資源或?qū)ο蟮膶?shí)例。

例如，對(duì)于每個(gè)線程，都需要一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，或者一個(gè)單獨(dú)的計(jì)數(shù)器。 在這種情況下，ThreadLocal會(huì)有所幫助。 這在Spring Boot應(yīng)用程序中也使用，其中為每個(gè)傳入呼叫設(shè)置了用戶(hù)上下文（Spring Security），并且將通過(guò)各種實(shí)例在線程流之間共享用戶(hù)上下文。 在以下情況下使用ThreadLocal

?線程限制。
?每個(gè)線程的數(shù)據(jù)性能。
?每個(gè)線程上下文。

Java

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/**
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 * This is a demo class only. The ThreadLocal snippet can be applied
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 * to any number of threads and you can see that each thread gets it's
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 * own instance of the ThreadLocal. This achieves thread safety.
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*/
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public class ThreadLocalDemo {
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    public static void main(String...args) {
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        ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>() {
10
            protected String initialValue() {
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                return "Hello World!";
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            }
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        };
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15
        // below line prints "Hello World!"
16
        System.out.println(threadLocal.get());
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18
        // below line sets new data into ThreadLocal instance
19
        threadLocal.set("Good bye!!!");
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21
        // below line prints "Good bye!!!"
22
        System.out.println(threadLocal.get());
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24
        // below line removes the previously set message
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        threadLocal.remove();
26

27
        // below line prints "Hello World!" as the initial value will be
28
        // applied again
29
        System.out.println(threadLocal.get());
30
    }
31
}

線程同步和相關(guān)概念就是這樣。 并發(fā)將在本文的第2部分中介紹。

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